WO2012144640A1

WO2012144640A1 - 共鳴式非接触給電システム、受電側装置及び送電側装置

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Publication number: WO2012144640A1
Application number: PCT/JP2012/060797
Authority: WO
Inventors: 貴弘中原; 曜 ▲柳▼田; アントニーガフ
Original assignee: 矢崎総業株式会社
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-10-26
Also published as: JP2012228148A; KR101469407B1; EP2701284B1; CN103493335A; EP2701284A4; US20140042823A1; KR20130137219A; EP2701284A1; US9299492B2; JP5740200B2

Abstract

　本発明の共鳴式非接触給電システム（１０）は、一次コイル（３０）及び一次共鳴コイル（３５）の周囲を覆う送電側金属シールド（８０）と、二次コイル（４０）及び二次共鳴コイル（４５）の周囲を覆う受電側金属シールド（９０）とを備え、充電の際に、送電側金属シールド（８０）と受電側金属シールド（９０）はケース接続部（１２）により同電位になるように接続される。

Description

共鳴式非接触給電システム、受電側装置及び送電側装置

　本発明は、共鳴式非接触給電システム、その共鳴式非接触給電システムに用いられる受電側装置及び送電側装置に関する。

　非接触のシステムによって負荷装置に電力を供給する技術が知られている。近年では電気自動車に対する給電システムとしても、非接触の給電システムは実用化のステージに入り、各種の規格が定められるとともに、一般的な使用を想定した安全性が配慮されるようになっている。

　非接触の給電システムには、様々なタイプがある。電気自動車等に対する給電システムとして大きく注目されている種類の一つが、図１（ａ）に示す共鳴式非接触給電システムであり、ＭＩＴ（Massachusetts Institute of Technology）により基本的原理が開発・実証されている（特許文献１参照）。図示の共鳴式非接触給電システムでは、高周波電源、共鳴コイル（一次及び二次共鳴コイル）及び負荷が電力を非接触で伝送する共鳴系を構成している。具体的には、送電側（一次側）ディバイスは、高周波電源、１次コイル、一次共鳴コイルで構成されている。受電側（二次側）ディバイスは、二次共鳴コイル、二次コイル、負荷で構成されている。このシステムでは送電側ディバイスと受電側ディバイスが、共鳴によって磁界結合（電磁結合）することで、数ｍ程度離れた場所に高い伝送効率（時には５０％前後）で電力を供給することができるという特長がある。

　ここで、図１（ａ）で示したＭＩＴによる技術では、「電源部（高周波電源及び１次コイル）、共鳴部（一次共鳴コイル、二次共鳴コイル）、負荷部（２次コイル及び負荷）」が、共鳴系となっている場合を想定している。しかしながら、非接触給電システムを電子機器や自動車給電システムに実装する場合には、追加の構成が必要となる。図１（ｂ）に図１（ａ）のシステムを現実のシステムに実装する場合のシステム構成例を示す。図示のように、現実のシステムでは、電源と一次側共鳴コイル部の間の伝送路、二次側共鳴コイル部と負荷の間の伝送路が必要となる。

日本国特表２００９－５０１５１０号公報日本国特開２０１０－４０６９９号公報日本国特開平５－３４４６０２号公報

　図２に、図１（ｂ）をより具体的な構成として共鳴式非接触給電システム５１０を示す。図示のように、同軸ケーブル（送電側及び受電側同軸ケーブル６０、７０）を使用した場合、次のような課題がある。
（１）伝送路に同軸ケーブルを使用した場合、電流が一次側の同軸ケーブル（送電側同軸ケーブル６０）の同軸ケーブル外導体６４内側だけでなく外側にも流れてしまい、放射電磁界が発生する。
（２）一次コイル３０から一部の電磁界が同軸ケーブル外導体６４と結合し、誘導電流が流れることで放射電磁界が発生する。
（３）二次共鳴コイル４５からの電磁界の全てが二次コイル４０と結合するわけでなく、一部の電磁界が受電側同軸ケーブル７０の同軸ケーブル外導体７４と結合して誘導電流が流れることで放射電磁界が発生する。

　図３（ａ）及び図３（ｂ）に、上記の共鳴式非接触給電システム５１０を電気自動車等への充電システムに適用させた例を示す。送電側（一次側）のディバイス（２０、３０、３５）は地中に配置されている。そして、受電側（二次側）のディバイス（５０、４０、４５）を備えた車両１が、送電側のディバイスの上に配置されると非接触の送電が可能となる。ここで、電気自動車への充電システムでは、短期間で送電を行う必要性から、例えば、１ｋＷを超えるような大電力伝送が求められると考えられている。しかし、図３（ａ）に示すように、大電力伝送を行うと、一次共鳴コイル３５と二次共鳴コイル４５の間、つまり車両と路面との間から、ＩＣＮＩＲＰ人体保護ガイドラインの基準値（ＤＡ）を超える放射電磁界が発生する恐れがある。この放射電磁界が広範囲にわたって漏洩すると、人体Ｍ１や電子機器に悪影響を及ぼす恐れがある。そのため、図３（ｂ）に示すように、電磁界強度がＩＣＮＩＲＰ人体保護ガイドラインの基準値を超えるような危険区域に進入できないように、送電が行われる区域（危険区域）の周囲に柵２等の遮蔽物で囲う対策が検討されている。しかし、ルールを理解できない子供Ｍ２やペットなどの小動物Ｐ２が、危険区域に進入してしまい事故が起きる可能性もある。さらに、危険区域への進入を感知するためのセンサを各所に配置し、進入が認められた場合に、充電を即座に中止するシステムを構築することも考えられる。しかし、センサの数が多くなると、危険区域に進入した物体の判断基準の決定などにおいて、対応の難しさがある。

　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決する技術を提供することを目的とする。

　本発明のある態様は、高周波電源に同軸ケーブルによって接続された送電側共鳴コイル部を備え、前記送電側共鳴コイル部から受電側共鳴コイル部への非接触の共鳴作用によって電力を伝送する共鳴式非接触給電システムに用いられる送電側装置であって、前記送電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記同軸ケーブルの外導体によって前記高周波電源の筐体に電気的に接続される良導体の送電側シールド部と、前記送電側シールド部を、前記受電側共鳴コイル部を外側から覆って収容する良導体の受電側シールド部に対して、位置ズレを吸収可能に電気的に接続するケース接続部とを更に備える。
　また、前記ケース接続部は、非接触給電するときに前記送電側シールド部と前記受電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容されるように構成されてもよい。
　本発明の別の態様は、受電側共鳴コイル部を備え、高周波電源に接続された送電側共鳴コイル部から、負荷装置に同軸ケーブルによって接続された前記受電側共鳴コイル部への非接触の共鳴作用によって電力を伝送する共鳴式非接触給電システムに用いられる受電側装置であって、前記受電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記同軸ケーブルの外導体によって前記負荷装置の筐体に電気的に接続される良導体の受電側シールド部と、前記受電側シールド部を、前記送電側共鳴コイル部を外側から覆って収容する良導体の送電側シールド部に対して、位置ズレを吸収可能に電気的に接続するケース接続部とを備える。
　また、前記ケース接続部は、非接触給電するときに前記受電側シールド部と前記送電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容されるように構成されてもよい。
　また、高周波電源に第１の同軸ケーブルによって接続された送電側共鳴コイル部から、負荷装置に第２の同軸ケーブルによって接続された受電側共鳴コイル部へ非接触の共鳴作用によって電力を伝送する共鳴式非接触給電システムであって、前記送電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記第１の同軸ケーブルの外導体によって前記高周波電源の筐体に電気的に接続される良導体の送電側シールド部と、前記受電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記第２の同軸ケーブルの外導体によって前記負荷装置の筐体に電気的に接続される良導体の受電側シールド部と、前記送電側シールド部と前記受電側シールド部とを、位置ズレを吸収可能に電気的に接続するケース接続部と、を備える。
　また、前記ケース接続部は、前記受電側シールド部に設けられており、非接触給電するときに前記受電側シールドと前記送電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容可能に構成されてもよい。
　また、前記ケース接続部は、前記送電側シールドに設けられており、非接触給電するときに前記受電側シールド部と前記送電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容可能に構成されてもよい。

　本発明によれば、共鳴式非接触給電システムにおける不要な放射電磁界を低減する技術を提供することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、従来技術に係る、共鳴式非接触給電システムの原理を説明するための図である。図２は、従来技術に係る、図１の共鳴式非接触給電システムを現実のシステムに実装させた場合の構成を模式的に示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、従来技術に係る、共鳴式非接触給電システムを電気自動車等への充電システムに適用させた例を示す図である。図４は、発明の実施形態に係る、送電側及び受電側金属シールドを備えた共鳴式非接触給電システムの構成を示す模式図である。図５は、発明の実施形態に係る、送電側及び受電側金属シールドを接続した状態の共鳴式非接触給電システムの構成を示す模式図である。図６は、発明の実施形態に係る、送電側及び受電側金属シールドを接続可能とした共鳴式非接触給電システムを電気自動車等への充電システムに適用させた例を示す図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、発明の実施形態に係る、ケース接続部により接続される送電側及び受電側金属シールドの一例を模式的に示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、発明の実施形態に係る、ケース接続部により接続される送電側及び受電側金属シールドの一例を模式的に示す図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、発明の実施形態に係る、ケース接続部により接続される送電側及び受電側金属シールドの一例を模式的に示す図である。図１０は、発明の実施形態に係る、比較例である従来の共鳴式非接触給電システムにおける電磁界強度の測定系の構成を示す図である。図１１は、発明の実施形態に係る、発明の実施形態に係る、共鳴式非接触給電システムにおける電磁界強度の測定系の構成を示す図である。図１２（ａ）～図１２（ｃ）は、発明の実施形態に係る、共鳴式非接触給電システムにおける共鳴コイル中心部からの距離と電界強度の関係を示す測定データを示す図であって、図１２（ａ）は金属ケースの接触が無しの場合の共鳴コイル中心部からの測定点を示す図であり、図１２（ｂ）は金属ケースの接触が有りの場合の共鳴コイル中心部からの測定点を示す図であり、図１２（ｃ）は共鳴コイル中心部からの距離と電界強度の関係を示す測定データである。図１３（ａ）～図１３（ｃ）は、発明の実施形態に係る、共鳴式非接触給電システムにおける共鳴コイル中心部からの距離と磁界強度の関係を示す測定データを示す図であって、図１３（ａ）は金属ケースの接触が無しの場合の共鳴コイル中心部からの測定点を示す図であり、図１３（ｂ）は金属ケースの接触が有りの場合の共鳴コイル中心部からの測定点を示す図であり、図１３（ｃ）は共鳴コイル中心部からの距離と電界強度の関係を示す測定データである。図１４は、発明の実施形態に係る、比較例である従来の共鳴式非接触給電システムにおける同軸ケーブル近傍の電磁界強度の測定データを示す図である。図１５は、発明の実施形態に係る、共鳴式非接触給電システムにおける同軸ケーブル近傍の電磁界強度の測定データを示す図である。

　以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の概要は次の通りである。本実施形態の共鳴式非接触給電システムでは、一次側及び二次側の共鳴コイル部の周囲を金属ケース（金属シールド）で覆い、その金属ケースを同軸線ケーブルの外導体と電気的に接続する。さらに、共鳴式非接触給電システムを電気自動車等の充電システムに提供した場合に、充電時にガイドラインの基準値を超える電磁界強度の領域を低減し、センサ等を極力設置せずに安全区域を確保する。そのために、給電時（充電時）に、送電側及び受電側の金属ケース同士を電気的に接続させ、両金属ケース間の電位差をゼロにする。さらに充電時の車両配置の自由度を確保するために、金属ケース同士を電気的に接続する際に、位置ズレを吸収する構造の手段を採用する。

　まず、図４を参照して電気自動車の充電システムに適用する共鳴式非接触給電システム１０のモデルを説明する。図２の共鳴式非接触給電システム５１０と異なる構成は、送電側金属シールド（金属ケース）８０及び受電側金属シールド（金属ケース）９０を設けた構成にあり、他の構成については同様の構成となっており、同様の構成要素については一部同一符号をしている。また、共鳴式非接触給電システムにおける電力伝送原理については、引用文献１に開示の技術を用いることができるので、ここでは詳細な説明は省略する。

　共鳴式非接触給電システム１０は、送電側（一次側）ディバイスとして、高周波電源２０と、一次コイル３０と、一次共鳴コイル３５とを備える。送電側（一次側）ディバイスは、電気自動車の充電システムに実装された場合に、路面に埋め込まれる。一次コイル３０は送電側同軸ケーブル６０を用いて高周波電源２０に接続されている。より具体的には、高周波電源２０は、電源筐体２４の内部に発振源２２を備え、送電側同軸ケーブル６０によって一次コイル３０に接続されている。また、電源筐体２４はグランドＧＮＤに接地されている。接地の態様については、専用アース線で接地されてもよいし、ＡＣケーブルのＦＧ（Ｆｒａｍｅ　Ｇｒｏｕｎｄ）線等で接地されてもよい。尚、高周波電源２０を備えるシステム１０について説明するが、高周波電源２０の無いシステム構成としてもよい。この場合、システム１０外の適宜な高周波電源に接続可能で且つ当該高周波電源から電力を受給可能な構成のシステム１０としてよい。

　さらに、共鳴式非接触給電システム１０は、送電側金属シールド８０を備え、一次コイル３０及び一次共鳴コイル３５の周囲を覆っている。送電側金属シールド８０は、例えば、受電側（二次側；図示右側）が開口となっているスチール製や銅製等の良導体の金属でできたケース状（筒状）を呈している。つまり送電側金属シールド８０のシールド側面８２は、一次コイル３０及び一次共鳴コイル３５の周囲を前記の開口を除いて完全に覆っている。なお、送電側金属シールド８０の形状は、シールドケースとして機能する形状であればよく、円筒状、角柱状等を適宜採用することができる。また、材質についても導電体であればよい。

　また、送電側金属シールド８０のシールド底面８４には、高周波電源２０と一次コイル３０との間の伝送路のための伝送用開口が設けられており、その伝送用開口に送電側同軸ケーブル６０が接続されている。より具体的には、送電側同軸ケーブル６０の同軸ケーブル外導体６４の一方の端部（図示右側）が、送電側金属シールド８０のシールド底面８４に接続されている。また、同軸ケーブル外導体６４の他方の端部（図示左側）が、高周波電源２０の電源筐体２４に接続されている。さらに、同軸ケーブル内導体６２は、高周波電源２０の発振源２２と一次コイル３０とを直接接続している。

　一方、共鳴式非接触給電システム１０は、受電側（二次側）ディバイスとして、負荷装置５０と、二次コイル４０と、二次共鳴コイル４５とを備える。受電側（二次側）ディバイスは、電気自動車の充電システムに実装された場合に、車両に搭載される。負荷装置５０の負荷筐体５４の内部には充電池等の負荷５２が設けられる。負荷装置５０と二次コイル４０とは受電側同軸ケーブル７０によって接続されている。尚、負荷装置５０を備えるシステム１０について説明するが、負荷装置５０の無いシステム構成としてもよい。この場合、システム１０外の適宜な負荷装置に接続可能で且つ当該負荷装置に電力を供給可能な構成のシステム１０としてもよい。

　また、送電側の送電側金属シールド８０と同様に、共鳴式非接触給電システム１０は、二次コイル４０と二次共鳴コイル４５とを覆う受電側金属シールド９０を備える。具体的には、受電側金属シールド９０は、例えば、送電側（一次側；図示左側）が開口となっているスチール製や銅製等の良導体金属でできたケース状（筒状）を呈している。つまり受電側金属シールド９０のシールド側面９２は、二次コイル４０及び二次共鳴コイル４５の周囲を前記の開口を除いて完全に覆っている。なお、受電側金属シールド９０の形状は、シールドケースとして機能する形状であればよく、円筒状、角柱状等を適宜採用することができる。また、材質についても導電体であればよい。

　また、受電側金属シールド９０のシールド底面９４には、負荷装置５０と二次コイル４０との間の伝送路のための伝送用開口が設けられており、その伝送用開口に受電側同軸ケーブル７０が接続されている。より具体的には、受電側同軸ケーブル７０の同軸ケーブル外導体７４の一方の端部（図示左側）が、受電側金属シールド９０のシールド底面９４に接続されている。同軸ケーブル外導体７４の他方の端部（図示右側）が、負荷装置５０の負荷筐体５４に接続されている。同軸ケーブル内導体７２は、負荷筐体５４内部の負荷５２と直接接続している。

　そして、以上の構成を有する共鳴式非接触給電システム１０では、発振源２２から一次コイル３０への伝送路及び負荷５２から二次コイル４０への伝送路が形成された状態において、発振源２２は、例えば数ＭＨｚ～数１０ＭＨｚの高周波を発振し、発振出力は一次コイル３０に供給される。一次共鳴コイル３５は一次コイル３０の電力を増幅し、二次共鳴コイル４５に向けた電磁界を発生させる。二次共鳴コイル４５は、一次共鳴コイル３５で発生した電磁界と結合し、二次コイル４０に誘導電流を生じさせる。その結果、負荷５２に電力が供給されることになる。

　このとき、上述したように従来の共鳴式非接触給電システム５１０の送電側では、送電側同軸ケーブル６０の同軸ケーブル外導体６４内側だけでなく外側をも通じて接地ＧＮＤに誘導電流が流れ込むことから、送電側同軸ケーブル６０の周囲に放射電磁界が発生していた。共鳴式非接触給電システム５１０の受電側では、二次共鳴コイル４５からの電磁界の全てが二次コイル４０と結合せずに、一部の電磁界が同軸ケーブル外導体７４と結合し伝送損失となる誘導電流を発生させ、その結果、受電側同軸ケーブル７０の周囲に放射電磁界を発生させていた。

　しかし、本実施形態では、送電側同軸ケーブル６０及び受電側同軸ケーブル７０内への伝送エネルギの収集が向上している。つまり、送電側（一次側）の共鳴部（一次コイル３０及び一次共鳴コイル３５）の周囲を送電側金属シールド８０で覆い、送電側金属シールド８０と送電側同軸ケーブル６０の同軸ケーブル外導体６４を電気的に接続しているので、送電側の同軸ケーブル外導体６４の外側に流れ出ていた電流を内側に収集することができる。同様に、受電側（二次側）の共鳴部（二次コイル４０及び二次共鳴コイル４５）の周囲を受電側金属シールド９０で覆い、受電側金属シールド９０と受電側同軸ケーブル７０の同軸ケーブル外導体７４を電気的に接続しているので、受電側の同軸ケーブル外導体７４の外側に流れ出ていた電流を同軸ケーブル外導体７４の内側に収集することができる。その結果、伝送効率の向上と放射電磁界の低減を実現することができる。

　ところで、図４で示した構成により、放射電磁界の発生の低減を実現できるが、電気自動車の充電システムにおいては、上述したように大電力伝送が想定されるため、一層の低減が必要となる。上記の構成では、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０の間に電位差が生じる可能性ある。電位差が発生すると電界が発生する。また、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０との間の空間Ｓ１から外部に電磁界が漏れる可能性はある。従来と比較すると大きく低減することができているが、ゼロに近づけることが望ましい。

　そこで、図５に示すように、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０とを電気的に接続するケース接続部１２を設けることで、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０との電位差を解消し、電位差に起因する電界発生を防止する。

　つぎに、図６の共鳴式非接触給電システム１１０を参照して、電気自動車の充電システムに適用した際の具体例について説明する。基本的な構成は上述の共鳴式非接触給電システム１０と同一である。

　図示のように、高周波電源２０や一次共鳴コイル３５等の送電側ディバスは路面に埋め込まれている。一次共鳴コイル３５は、路面近傍に配置されている。一次共鳴コイル３５の周囲は、図４や図５で示したように送電側金属シールド８０で覆われている。ここでは、送電側金属シールド８０の図示上側（車両１側）がシールド材が無く開口となっている。ただし、その開口は、樹脂等の材質のフタ体８８で覆われている。フタ体８８の材質は、電界等の結合に影響を与えない材質が好ましい。

　また、送電側金属シールド８０のシールド側面８２の上側先端部近傍には、ケース接続部１２として送電側ケース接続部１４が設けられている。具体例については図７（ａ）～図９（ｂ）で説明するが、送電側ケース接続部１４は、導電体であって、その形状が変形可能に構成されている。より具体的には、送電側ケース接続部１４は、板状体であって、充電していない通常は所望の形状を維持しつつ、車両１の受電側金属シールド９０に接した際に、接続が確実になされるように変形可能になっている。例えば、導電性ゴムや表面を導電性加工した樹脂材などがある。また、送電側ケース接続部１４は、通常は、路面に水平に配置され、充電時にモータ等により鉛直方向に駆動される。なお、送電側ケース接続部１４は、車両１の停車位置誤差や、受電側金属シールド９０の形状の多様性等を考慮して、複数で構成されることが好ましい。

　一方、バッテリ装置である負荷装置５０や二次共鳴コイル４５等の受電側ディバイスは、車両１に搭載されている。二次共鳴コイル４５は、車両１の床面近傍に配置されている。二次共鳴コイル４５の周囲は、図４や図５で示したように受電側金属シールド９０で覆われている。ここでは、受電側金属シールド９０の図示下側（路面側）がシールド材が無く開口となっている。ただし、その開口は、樹脂等の材質のフタ体９８で覆われている。フタ体９８の材質は、電界等の結合に影響を与えない材質が好ましい。

　また、受電側金属シールド９０のシールド側面９２の下側先端部近傍には、ケース接続部１２として受電側ケース接続部１３が設けられている。具体例については図７（ａ）～図９（ｂ）で説明するが、受電側ケース接続部１３は、導電体であって形状が変形可能に構成されている。より具体的には、受電側ケース接続部１３は、板状体であって、充電していない通常は所望の形状を維持しつつ、充電位置である送電側金属シールド８０に接した際に、接続が確実になされるように変形可能になっている。例えば、導電性ゴムや表面を導電性加工した樹脂材などがある。また、受電側ケース接続部１３は、通常は、車両１の床面（下側外面）に水平に配置され、充電時にモータ等により鉛直方向になるように駆動される。なお、受電側ケース接続部１３は、送電側ケース接続部１４と同様に、車両１の停車位置誤差や送電側金属シールド８０の形状の多様性等を考慮して、複数で構成されることが好ましい。

　なお、ここでは、受電側ケース接続部１３及び送電側ケース接続部１４の両方について備える共鳴式非接触給電システム１１０については説明したが、いずれか一方のみが備わる構成であってもよい。

　そして、車両１が充電のために一次共鳴コイル３５等の送電側ディバイスの上に位置したときに、一次共鳴コイル３５と二次共鳴コイル４５は対向する。そして、充電のための送電に先立ち、ケース接続部１２である受電側ケース接続部１３及び送電側ケース接続部１４がその位置を駆動制御される。その結果、図６に示したように、受電側ケース接続部１３は受電側金属シールド９０に接続し、送電側ケース接続部１４は送電側金属シールド８０に接続する。このとき、受電側ケース接続部１３及び送電側ケース接続部１４は、車両１と路面との間隔よりも長く形成されており、接続時に押しつけられるように撓むことで、電気的接続状態が良好に維持される。一般に、充電に先立ち、車両１と送電側ディバイスを管理する装置の間で、通信によるユーザ認証処理が行われると考えられる。その認証処理の１プロセスに、ケース接続部１２の接続が確保されているか否かの判断を組み込ませることで、接続がなされていない場合に充電処理に移らないように制御する等して、安全な充電システムを実現できる。

　つぎに、受電側ケース接続部１３及び送電側ケース接続部１４の構成バリエーションについて図７（ａ）～図９（ｂ）を参照して説明する。

　図７（ａ）及び図７（ｂ）は、車両１側の受電側金属シールド９０に受電側ケース接続部１３（１３ａ、１３ｂ）を設け、送電側金属シールド８０にはケース接続部１２（送電側ケース接続部１４）を設けない構成を示している。

　送電側金属シールド８０では、シールド側面８２の上側端部、つまり路面側の端部に、開口端部を外側に所定長だけ延出し車両１の床面と対向するような形成された面形状のシールド前面部８６（８６ａ、８６ｂ）が設けられている。延出する長さは、車両１の停止位置のずれについて許容できる範囲を想定して設定される。

　そして、充電しない際には、図７（ａ）に示すように、受電側ケース接続部１３（１３ａ、１３ｂ）は、水平状態に維持される。充電する際には、受電側ケース接続部１３が垂直になるように駆動され、図７（ｂ）に示すように、図示右側の受電側ケース接続部１３ａが図示右側のシールド前面部８６ａに撓みつつ接続している。一方、図示左側の受電側ケース接続部１３ｂは、鉛直状態に制御されても、直下にシールド前面部８６が位置していないため、水平状態に収容される。直下にシールド前面部８６が存在するか否かは、シールド前面部８６が導電体であることから、既知のセンシング技術で実現ができる。

　図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図７（ａ）及び図７（ｂ）の構成とは逆に、ケース接続部１２（送電側ケース接続部１４ａ、１４ｂ）を送電側金属シールド８０にのみ設けた構成を示している。

　受電側金属シールド９０では、シールド側面９２の下側端部、つまり床面側端部に、開口端部を外側に所定長だけ延出し路面と対向するような形成された面形状のシールド前面部９６（９６ａ、９６ｂ）が設けられている。延出する長さは、車両１の停止位置のずれについて許容できる範囲を想定して設定される。

　そして、充電しない際には、図８（ａ）に示すように、送電側ケース接続部１４（１４ａ、１４ｂ）は、床面と平行（水平）状態に維持される。充電する際には、送電側ケース接続部１４が垂直になるように駆動され、図８（ｂ）に示すように、図示右側の送電側ケース接続部１４ａが図示右側のシールド前面部９６ａに撓みつつ接続している。一方、図示左側の送電側ケース接続部１４ｂは、鉛直状態に制御されても、真上にシールド前面部８６ｂが位置していないため、水平状態に収容される。真上にシールド前面部９６が存在するか否かは、シールド前面部９６が導電体であることから、既知のセンシング技術で実現できる。

　図９（ａ）及び図９（ｂ）は、ケース接続部１２を送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０の両方に設けた構成を示している。送電側金属シールド８０は、シールド前面部８６を備えるとともに送電側ケース接続部１４を備える。同様に、受電側金属シールド９０は、シールド前面部９６を備えるとともに受電側ケース接続部１３を備える。そして、充電の際には、受電側ケース接続部１３と送電側ケース接続部１４が垂直になるように駆動して、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０が電気的に接続される。ここでは、図示右側の送電側ケース接続部１４ａと左側の受電側ケース接続部１３ｂが垂直になって撓みつつ接続されている。一方、接続に使用されない破線で示す図示左側の送電側ケース接続部１４ｂと右側の受電側ケース接続部１３ａは、水平に維持されている。

　なお、どのケース接続部１２を垂直するか、または水平にするかについては、上述の通りシールド前面部８６、９６のセンシング結果を利用することができる。また、受電側ケース接続部１３、送電側ケース接続部１４の両方とも接続に使用できる場合も想定できる。そのような場合には、予め優先的に動かすケース接続部１２を設定しておけば円滑な運用が可能となる。

　つづいて、図１０～図１５を参照して、送電側金属シールド８０（送電側ケース）と受電側金属シールド９０（受電側ケース）とをケース接続部１２で電気的に接続した共鳴式非接触給電システム１１０と、ケース接続部１２で接続していない共鳴式非接触給電システム１０において、放射電磁界を計測した。その結果を説明する。図１０はケース接続部１２で接続していない共鳴式非接触給電システム１０に対応する測定系のシステム構成を示し、図１１はケース接続部１２で接続した共鳴式非接触給電システム１１０に対応する測定系のシステム構成を示している。

　図１０と図１１の測定系のシステム構成の概要は以下の通りである。
（１）高周波電源２０：
周波数１３．５６ＭＨＺ（±１ＭＨｚ）、出力電力３ｋＷ。
（２）同軸ケーブル（送電側同軸ケーブル６０）：
　同軸ケーブル（３ｍ）を高周波電力の伝送線として利用し、高周波電源２０とループコイル（一次コイル３０）とを接続する。電磁界測定箇所…５箇所（５０ｃｍ間隔）
（３）同軸ケーブル（受電側同軸ケーブル７０）：
　同軸ケーブル（２ｍ）を高周波電力の伝送線として利用し、受電側ループコイル（二次コイル４０）とアッテネータ（負荷）とを接続。
（４）ループコイル（３０、４０）：銅製　直径１５０ｍｍ、銅線直径５mm。送電側と受電側は同構造である。
（５）共鳴コイル（３５、４５）：銅製直径３００ｍｍ内径１８５ｍｍ、銅線直径５ｍｍ、ピッチ５ｍｍ渦巻き型。送電側と受電側とは同構造であり、コイル間距離２００ｍｍ。
（６）金属ケース（送電側及び受電側金属シールド８０、９０）：送電側及び受電側同軸ケーブル６０、７０の同軸ケーブル外導体６４、７４に接続されて、ループコイル（３０、４０）と共鳴コイル（３５、４５）を覆う。
（７）負荷装置５０：
　アッテネータで受電側の高周波電力を所定量減衰させ、スペクトラムアナライザにて信号レベルを測定する。
（８）ケース接続部１２＜図１１；本実施形態のみ＞：
　送電側及び受電側金属シールド８０、９０をケース接続部１２で接続して、両金属シールド間の電位差をゼロとする。

　図１２（ａ）～図１２（ｃ）に、一次共鳴コイル３５と二次共鳴コイル４５との中心からの距離と電界強度の関係に関する測定結果を示す。図示のように、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０とをケース接続部１２で接続しない場合、計測された電界は位置Ｐ６で初めてＩＣＮＩＲＰ人体保護ガイドライン（以下、「ガイドライン」という）である２７．５Ｖ／ｍを下回る。これは、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０の間から漏れる電界が大きいためであり、危険区域が広くなっている。一方、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０とをケース接続部１２で接続して電位差をゼロとした場合、外部に漏れる電界は大幅に低減される。電界は位置Ｐ２（概ね５００ｍｍ地点）でほぼガイドラインと同じ値となり、位置Ｐ３（概ね６００ｍｍ地点）では下回っている。このように、電界がガイドラインを上回る危険な区域を大幅に縮小させることができる。

　図１３（ａ）～図１３（ｃ）に、一次共鳴コイル３５と二次共鳴コイル４５との中心からの距離と磁界強度の関係に関する測定結果を示す。図示の計測結果では、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０を接続した条件において、接続しない条件と比較して、大幅な変化はないものの一定の低減が見られる。これは、磁界は、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０の電位差に起因するのではなく、一次共鳴コイル３５と二次共鳴コイル４５の間での電磁結合エネルギとして発生し、漏れ出す量は、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０の距離に大きく依存するためである。したがって、送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０の距離が固定であるために、磁界の変動はあまり観測されない。

　図１４及び図１５に、送電側及び受電側同軸ケーブル６０、７０の近傍の電磁界強度（電界及び放射電磁界）の測定結果を示す。図１４は送電側金属シールド８０と受電側金属シールド９０とをケース接続部１２で電気的に接続していない共鳴式非接触給電システム１０の測定結果を、図１５はケース接続部１２で電気的に接続した共鳴式非接触給電システム１１０の測定結果を示す。

　測定条件の概要は以下の通りである。
・各測定点に電磁界センサを設置する。測定点から電磁界センサ面までの垂直距離を５０ｍｍとする。
・高周波電源２０から、周波数１３．５６ＭＨｚの３ｋＷ電力を出力し、電磁界センサにより測定された電界の最高値、及び磁界の最高値を取得する。

　まず、図１４に示すように、ケース接続部１２を有していない共鳴式非接触給電システム１０では、送電側Ｘの電界に関して、４００～８００Ｖ／ｍの値が計測されている。受電側Ｙでは、概ね２００～４００Ｖ／ｍの値が計測されている。また、磁界に関しては、概ね０．２～０．５Ａ／ｍの値が測定されている。

　一方で、ケース接続部１２を備えた共鳴式非接触給電システム１１０に関しては、図１５に示す測定結果となり、電界及び磁界のいずれも、送電側Ｘ及び受電側Ｙにおいて、ほぼゼロの値となった。このように、ケース接続部を備えた共鳴式非接触給電システム１１０を採用することで、放射電磁界を大幅に低減することができる。

　以上、本実施の形態によると、簡易的かつ低コストで伝送効率を向上させることができ、さらに放射電磁界を低減できる。また、共鳴コイル部の周囲にのみ金属ケースを配置することで、システム全体をシールドするよりも、重量を軽量化することができる。これによって、車両等の移動体に搭載された場合であっても、重量増によるエネルギ消費量の増加を抑制することができる。さらに、充電の際にも、危険区域を大幅に減少させることができ、危険区域への進入等に対する対策が容易となる。つまり、人感センサ等の装置を大幅に少なくすることができ、また、運用も簡易的なものとすることができる。

　以上、本発明を実施形態をもとに説明した。上記の実施形態は例示であり、各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、一次共鳴コイル３５や二次共鳴コイル４５は、一次コイル３０や二次コイル４０を用いたループ給電タイプ（間接タイプ）であるが、直接給電するタイプの構成であってもよい。また、設けられているケース接続部１２（受電側ケース接続部１３及び送電側ケース接続部１４）のうち、接続している数に応じて送電出力を変更してもよいし、所定数以下の場合に、送電出力を低下させてもよい。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

　本出願は、2011年4月22日出願の日本特許出願（特願2011－96362）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明は、共鳴式非接触給電システムの分野において有用である。

１０、１１０、５１０　共鳴式非接触給電システム
２０　高周波電源
２２　発振源
２４　電源筐体
３０　一次コイル
３５　一次共鳴コイル
４０　二次コイル
４５　二次共鳴コイル
５０　負荷装置
５２　負荷
５４　負荷筐体
６０　送電側同軸ケーブル
６２、７２　同軸ケーブル内導体
６４、７４　同軸ケーブル外導体
６６　同軸オスコネクタ部
８８、９８　フタ体
７０　受電側同軸ケーブル
８０　送電側金属シールド
８２、９２　シールド側面
８４、９４　シールド底面
８６、９６　シールド前面部
９０　受電側金属シールド

Claims

　高周波電源に同軸ケーブルによって接続された送電側共鳴コイル部を備え、前記送電側共鳴コイル部から受電側共鳴コイル部への非接触の共鳴作用によって電力を伝送する共鳴式非接触給電システムに用いられる送電側装置であって、
　前記送電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記同軸ケーブルの外導体によって前記高周波電源の筐体に電気的に接続される良導体の送電側シールド部と、
　前記送電側シールド部を、前記受電側共鳴コイル部を外側から覆って収容する良導体の受電側シールド部に対して、位置ズレを吸収可能に電気的に接続するケース接続部と、
　を更に備える送電側装置。
　前記ケース接続部は、非接触給電するときに前記送電側シールド部と前記受電側シールド部とを接続し、非接触給電しないときには収容されるように構成されている請求項１に記載の送電側装置。
　受電側共鳴コイル部を備え、高周波電源に接続された送電側共鳴コイル部から、負荷装置に同軸ケーブルによって接続された前記受電側共鳴コイル部への非接触の共鳴作用によって電力を伝送する共鳴式非接触給電システムに用いられる受電側装置であって、
　前記受電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記同軸ケーブルの外導体によって前記負荷装置の筐体に電気的に接続される良導体の受電側シールド部と、
　前記受電側シールド部を、前記送電側共鳴コイル部を外側から覆って収容する良導体の送電側シールド部に対して、位置ズレを吸収可能に電気的に接続するケース接続部と、
　を更に備える受電側装置。
　前記ケース接続部は、非接触給電するときに前記受電側シールド部と前記送電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容されるように構成されている請求項３に記載の受電側装置。
　高周波電源に第１の同軸ケーブルによって接続された送電側共鳴コイル部から、負荷装置に第２の同軸ケーブルによって接続された受電側共鳴コイル部へ非接触の共鳴作用によって電力を伝送する共鳴式非接触給電システムであって、
　前記送電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記第１の同軸ケーブルの外導体によって前記高周波電源の筐体に電気的に接続される良導体の送電側シールド部と、
　前記受電側共鳴コイル部を外側から覆って収容するとともに、前記第２の同軸ケーブルの外導体によって前記負荷装置の筐体に電気的に接続される良導体の受電側シールド部と、
　前記送電側シールド部と前記受電側シールド部とを、位置ズレを吸収可能に電気的に接続するケース接続部と、
　を備える共鳴式非接触給電システム。
　前記ケース接続部は、前記受電側シールド部に設けられており、非接触給電するときに前記受電側シールド部と前記送電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容可能に構成されている請求項５に記載の共鳴式非接触給電システム。
　前記ケース接続部は、前記送電側シールド部に設けられており、非接触給電するときに前記受電側シールド部と前記送電側シールド部とを電気的に接続し、非接触給電しないときには収容可能に構成されている請求項５又は６に記載の共鳴式非接触給電システム。